ES2266846T3 - Junta roscada para caños. - Google Patents

Abstract

Una junta roscada para caños que define un eje (21), que comprende un componente macho coaxial (1) que consta de un caño provisto con rosca sobre una extensión de su superficie externa cerca de, por lo menos, un extremo (13) y un componente coaxial hembra (2), que consta de un caño o manguito provisto con rosca sobre una extensión de su superficie interna cerca de por lo menos un extremo (14) en la cual el componente macho (1) está provisto de una extensión cilíndrica que se ubica entremedio de dos extremos, con paredes de un espesor constante y tiene en dicho extremo (14) una superficie anular de contacto (9) y en la cual se forma una correspondiente superficie anular de sostén (10) en el interior del componente hembra (2), se prevé que dichas roscas se enrosquenatornillen mutua y reversiblemente hasta que establecen contacto entre dichas superficies anulares de contacto (9, 10), dichas roscas son complementarias y tienen el perfil de un diente, en una sección de acuerdo con un plano que contiene el eje (21) que define un lado de carga (4, 3) que forma un primer ángulo () respecto del plano perpendicular al eje (21) y un lado de ajuste (6, 5) que forma un segundo ángulo () respecto de un plano perpendicular al eje (21), caracterizada porque dicho segundo ángulo () tiene un valor que oscila entre 10 y 25°; porque cuando se ensambla la junta y se establece el contacto entre dichas superficies anulares de contacto (9, 10), cuando no hay cargas axiales, entre el lado de ajuste (6) de la rosca que se forma sobre el componente macho y el lado (5) de la rosca del componente hembra, existe un juego mecánico que mide entre 0, 01 y 0, 12 mm, medido a lo largo de una dirección paralela al eje (21) de la junta; y porque el diámetro interno D3 y el diámetro externo D4 de la extensión cilíndrica de dicho componente macho (1), el diámetro interno D1 y el diámetro externo D2 de la superficie de contacto formada en el componente hembra se vinculan por la relación (D22- D12)/(D42-D32) > 0, 5.

Description

Junta roscada para caños.

Campo de la invención

En términos generales, la presente invención se refiere a juntas roscadas para caños, particularmente juntas para caños que se utilizan en la industria de la explotación del gas y del petróleo. El Documento WO-A-0198620 describe dicho tipo de junta tubular. Estos caños pueden utilizarse tanto como cañerías para el bombeo de gas y de petróleo al igual que como entubaciones de los pozos de sondeo propiamente dichos.

Estado del arte

En la industria de la extracción de gas y de petróleo se utilizan caños de longitud preestablecida que se conectan entre sí por los extremos para que puedan alcanzar grandes profundidades donde usualmente se encuentran los yacimientos de hidrocarburos.

La técnica de sondeo que se utiliza con mayor frecuencia es la de perforar, mediante barrenado, los pozos que empiezan en el nivel de la tierra o del mar, hasta que se llega al depósito de gas o petróleo. La profundidad de estos pozos puede alcanzar varios miles de metros. Durante el barrenado, se entuba la parte interior de los pozos con caños metálicos a lo largo de toda su longitud. Los segmentos de caños de metal, que miden alrededor de diez metros de largo, se unen mediante juntas roscadas. Por lo tanto, estos caños forman una columna tubular que mantiene un diámetro constante a lo largo de toda su longitud, excepto cuando se corresponde con la junta donde el diámetro externo puede ser de incluso 25,4 mm (1 pulgada) mayor que el que tiene la cadena propiamente dicha.

Para cubrir toda la profundidad del pozo se utilizan varias columnas que, por razones de resistencia mecánica y características geológicas de la formación, tienen diámetros inferiores a medida que la columna alcanza mayores profundidades, de forma tal que se constituye una estructura de tipo "telescópica".

Cada vez es más frecuente que la industria del petróleo y gas se encuentre con la necesidad de excavar pozos en posiciones muy inclinadas respecto de la posición vertical, e incluso horizontal, para alcanzar los depósitos de petróleo y gas y existen necesidades estructurales en el uso de los caños que no pueden satisfacerse con el uso de los caños normalmente diseñados para pozos verticales. En el caso de los pozos horizontales o muy desviados, sigue existiendo la necesidad de excavar los pozos en la mayor medida posible a fin de reducir costos.

Una vez que se termina con la perforación, dentro del pozo ya entubado, se introduce otra columna tubular que se usa para bombear gas o petróleo hacia el exterior desde el depósito subterráneo. Esta columna, que se extiende a lo largo de toda la profundidad del pozo y que, por lo tanto, puede tener una longitud que alcance varios miles de metros, también se forma mediante la unión de caños de una decena de metros, para lo cual se recurre al empleo del mismo tipo de juntas que se describió previamente. Usualmente, este segundo tipo de columna también tiene un diámetro constante a lo largo de toda su longitud, salvo en la zona de las juntas, donde suele presentar un diámetro externo mayor, similar a lo ya descrito para el caso anterior.

En ambos casos citados, los caños se unen entre sí por medio de juntas roscadas para caños, que pueden ser de tipo integral, en cuyo caso uno de los extremos del caño es del tipo de rosca macho y el otro es del tipo de rosca hembra, o por medio de una junta con manguito roscado, en cuyo caso ambos extremos del caño tienen rosca macho y se unen mediante un manguito con rosca hembra sobre ambos lados.

La selección entre los varios tipos de juntas se hace de acuerdo con la carga que debe soportar la columna tubular, la presión que actúa interna o externamente, su longitud y el diámetro máximo posible respecto del diámetro del pozo.

Si se reduce el diámetro de las juntas, es necesario encontrar soluciones para compensar la poca resistencia de la estructura. En efecto, en el área de la junta, la eficiencia es necesariamente menor que en el cuerpo principal del caño debido a los elementos de construcción, porque la rosca, los sellos y los hombros son mecanizados sobre la pared del caño, lo que hace que la sección se reduzca en las áreas críticas de la rosca macho o hembra.

Es de vital importancia reducir las causas de rotura de las juntas, porque resulta, especialmente después del tendido subterráneo, casi imposible que los operadores actúen directamente sobre las juntas que se rompen, lo que implica serias consecuencias económicas para la planta de extracción y provoca un considerable daño al medio ambiente, especialmente en el caso de que el depósito contenga elementos agresivos.

Es así que en el pasado se trabajó mucho para mejorar las juntas de los caños y para optimizar su eficiencia, para lo cual se trató de alcanzar un equilibrio correcto entre las varias necesidades, que muchas veces se contraponen entre sí, en términos de menor tamaño, máxima resistencia estructural y sellabilidad para las fugas o filtraciones de los líquidos y gases. En efecto, los caños están sometidos a cargas de torsión, compresión, tracción y flexión, casi siempre en la presencia de presión producida por agentes fluidos externos o que circulan dentro de los propios caños.

También es necesario que las juntas tengan excelentes propiedades de enrosque y resistencia al engrane.

Los problemas estructurales y de sellado muchas veces empeoran debido a la temperatura de los fluidos, su capacidad corrosiva o a las condiciones medioambientales existentes en el área petrolera.

Los actuales métodos de perforación permiten que una misma planta alcance varias profundidades y distintos lugares de depósito, donde los pozos son desviados, curvos e incluso horizontales: si bien por un lado esto representa una gran ventaja económica, también causa una extremadamente elevada tensión estructural a raíz de la compresión y la torsión sobre los caños y sobre las juntas, mientras se realizan las operaciones de descenso de la columna dentro del pozo, debido a las fuerzas de fricción que se desarrollan entre el caño propiamente dicho y la pared del pozo. La resistencia a la compresión que deben tener los caños, especialmente en la zona de la junta roscada, es una necesidad muy sensible y muchas veces la debilidad de las juntas es un punto en contra de este tipo de tecnología. También se presentan condiciones desfavorables similares en las columnas cuando se las utiliza para inyectar vapor, en este caso debido a las altas cargas térmicas que generan altas cargas mecánicas. Por lo tanto se hicieron propuestas para mejorar el rendimiento de compresión de estas juntas con el uso de un rosca que tenga un tamaño tal que ambos lados de la rosca de un segmento del caño entre en contacto con los laterales de la rosca correspondiente en el otro segmento del caño, una vez que se enroscó la junta. El contacto sobre ambos laterales de la rosca es una contribución importante para lograr que el comportamiento de compresión se parezca en el mayor grado posible al comportamiento de tracción de la junta.

En circunstancias particulares, por ejemplo para el caso de ángulos muy inclinados del lado de ajuste de la rosca, medido respecto de la superficie perpendicular al eje del caño, la acción de compresión de la cadena no resulta satisfactoria, ya que este tipo de solución contribuye a desatar el fenómeno conocido en inglés técnico como "Jump-in", cuando la fuerza de compresión excede de ciertos límites. El jump-in es el deslizamiento del segmento macho del caño dentro del segmento hembra, donde se excede la resistencia dada por el roscado de las dos piezas y ocurre con mayor frecuencia cuanto mayor es la inclinación del ángulo de entrada de la rosca.

Otra desventaja de este tipo de rosca es que la junta está sujeta a un alto riesgo de engranadura, con el consecuente peligro de no asegurar el sellado estanco de los fluidos, y cuando se hace contacto tiene un momento dinámico de torsión que varía en gran medida conforme se realiza la operación de enroscado de la junta y se hacen más giros relativos. Esto introduce dificultades en la fabricación de la junta y presenta la posibilidad de que ocurran imprecisiones cuando se trata de aplicar el par de apriete correcto.

Otra solución que se ha propuesto para mejorar las características de resistencia de la junta para caños prevé el aumento del espesor tanto del segmento del caño macho como del segmento hembra, también para poder obtener un hombro o respaldo anular en el segmento hembra cuyo tamaño sea mayor, cerca de la zona de contacto. Esto conlleva un aumento en el procesamiento de los extremos de los caños, lo que requiere, particularmente antes de hacerlos atravesar el proceso de roscado, una deformación en frío del extremo del tubo, con el consecuente tratamiento de alivio de la tensión para eliminar la tensión residual, lo que lleva a un aumento de los costos y los tiempos de producción. La operación de deformación en frío es necesaria para mejorar la resistencia, especialmente en el caso de los caños de paredes más delgadas.

Sin embargo, también en esta situación, los resultados no son siempre satisfactorios, ya que en el mejor de los casos la resistencia de compresión que se obtiene de esta manera en el punto de la junta jamás supera el 70% de resistencia de la parte sin rosca del segmento del caño (cuerpo).

Por lo tanto, existe la necesidad de contar con una junta que tenga alta resistencia y un excelente rendimiento del sello, aún bajo altas cargas de compresión, a la vez que mantenga sus capacidades de sellado estanco. También se requiere que el emboque y enroscado de la junta sean tareas sencillas, de forma tal que pueda enroscarse en el campo, aún con el uso de equipo de apretado automático.

También se considera adecuado que el uso de la junta sea factible en caños fabricados en materiales diferentes que se pueden emplear para la construcción de cañerías para perforación y entubación. Entre dichos materiales se incluyen, por ejemplo, acero al carbono, cromo o aleaciones de acero resistentes a la corrosión, por ejemplo aquellas que contienen grandes cantidades de Cr, en un nivel que supere el 9%, con la presencia de Ni y Mo, tal como aceros martensíticos, acero inoxidable dúplex o aleaciones austeníticas de hierro y níquel.

Reseña de la invención

Los problemas presentados previamente se resuelven por medio de una junta para caños roscada, de tipo integral o con manguitos, que comprende un componente macho que consta de un caño provisto de una rosca sobre, al menos, una parte de su superficie externa y un componente hembra que consta de un caño o manguito provisto de una rosca sobre, al menos, una parte de su superficie interna, donde el extremo del componente macho tiene una pestaña anular y una correspondiente pestaña de sostén formadas dentro del componente hembra, se prevé que dichas roscas se enrosquen mutuamente y de manera reversible hasta que establecen contacto entre dichas superficies de sostén anulares, dichas roscas tienen una sección de acuerdo con un plano que incluye el eje del componente sobre el cual se efectúa el enrosque con un perfil que tiene un lado de carga y un lado de ajuste, dicho lado de ajuste forma un ángulo respecto de un plano que es perpendicular al eje del componente sobre el cual se forma la rosca, que oscila entre los 10 y 25°, dichas roscas son tales que cuando se ha establecido el contacto entre dichas superficies anulares de sostén, con la junta descargada, entre el lado de ajuste de la rosca del componente macho y el de la rosca del componente hembra, existe un juego mecánico, medido a lo largo de la dirección paralela al eje de la junta que coincide con los ejes de los dos componentes citados, cuando se los enrosca juntos, que va desde 0,01 a 0,12 mm; el diámetro interno D3 y el diámetro externo D4, en la extensión del componente macho que no se acopla con el componente hembra, el diámetro interno D1 y el diámetro externo D2 de la superficie de contacto formada en el componente hembra se vinculan por la relación (D2^{2}-D1^{2})/(D4^{2}-D3^{2}) \geq 0,5.

Con preferencia, dichas superficies anulares de contacto son superficies con forma de cono truncado y la que se forma sobre el extremo del componente macho se gira hacia el eje del componente. De acuerdo con otro aspecto de la invención, los problemas mencionados se resuelven con el uso de caños de longitud determinada, de acuerdo con las características expuestas en las reivindicaciones 8 y 9.

Listado de ilustraciones

La Figura 1 es una vista en corte lateral de una junta de acuerdo con la invención completamente enroscada.

La Figura 2 es una vista ampliada de parte de la Figura 1, en la cual puede verse el extremo del componente macho enroscado sobre el componente hembra.

Descripción detallada de una forma de realización preferida

Con referencia a las ilustraciones, a continuación se describe una junta de acuerdo con la presente invención a modo de ejemplo.

La junta que se muestra en las figuras consta de dos componentes: el componente macho 1 y el componente hembra 2. En este caso, el componente macho es un caño, que tiene rosca macho en ambos extremos, mientras que el componente hembra es un manguito que tiene rosca hembra en ambos extremos y sirve para unir dos caños con el uso de dos juntas que se fabrican del modo que se ha descrito. La junta define una parte interna 20, que contiene el eje 21 de los segmentos del caño 1 y 2, donde circula el fluido, que puede ser gas natural, petróleo u otro similar, y una parte externa 22 donde puede haber fluidos de varios tipos, que generalmente están presurizados. El diámetro externo D4 de los caños, en el área que no forma la unión entre los componentes macho y hembra puede ser inferior al diámetro externo D5 del extremo del componente hembra en el área de la junta, en un valor que va desde 0% en el caso de una junta de tipo al tope integral hasta alrededor del 15% en el caso de una junta con manguitos. El componente macho 1 tiene un extremo 13, que tiene una rosca sobre su superficie externa. Tal como se puede apreciar en la Figura 2, los hilos de la rosca tienen la sección del diente 15, de acuerdo con un plano que incluye el eje del componente, cuya forma es sustancialmente trapezoidal.

Cada diente de la rosca tiene un lado de ajuste 6, un lado de carga 4 y una punta 7.

El lado de ajuste 6 forma el ángulo \beta respecto del plano que es perpendicular al eje 21, y que puede variar entre 10 y 25°. Se considera que el ángulo de los lados de ajuste y de carga es positivo, tal como se presenta en el caso que se ilustra, si la superficie del lado se hace girar en la rosca hacia el lado opuesto desde el eje 21 de la junta, es decir hacia el exterior y hacia dicho eje en la rosca interna.

El ángulo \alpha del lado de carga 4, es decir el que se forma respecto de un plano perpendicular al eje 21 puede ser positivo o negativo y, con preferencia, varía de -4 a +3°.

El extremo 13 del componente macho 1 comprende la superficie de estanqueidad 11, por ejemplo con forma de cono truncado, y una pestaña anular 9 con una superficie plana o de cono truncado y un ángulo en la base del cono que mide entre 0° y 20°. El extremo 13 puede tener una superficie externa roscada que, de manera ventajosa, tiene forma de cono truncado, tal como se muestra, con una conicidad que preferentemente es de entre el 6 y el 10%. Se prefiere que el paso de la rosca varíe entre 3 y 5 giros por pulgada. La rosca puede ser perfecta o tener partes que no sean perfectas. La parte de la superficie externa del extremo 13, que comprende la superficie de estanqueidad 11, no es roscada y, en general, tiene una conicidad más evidente que la parte roscada. La superficie 11 también puede ser esférica en otras formas de realización alternativas pero, asimismo, es posible que adopte otra configuración. El extremo 14 del componente hembra 2 debe ser tal que se enrosque sobre el extremo 13 del componente macho 1. Se supone que el roscado es completo cuando la superficie anular 10, formada sobre el componente hembra 2 en el extremo del extremo roscado 14, se pone en contacto con la superficie 9 con la cual se corresponde.

Puede estar presente la superficie con una marcada conicidad 12 que se corresponde con 11, con la cual entra en contacto cuando se produce el atornillado completo. Las superficies 11 y 12 forman un sello estanco entre un metal y otro.

Con preferencia, los lados de ajuste y carga 5 y 6 de la rosca del componente hembra son iguales a los del componente macho, considerando los signos que se muestran previamente.

El roscado dentro del extremo 14 corresponde a uno del extremo 13 del componente macho 1. Este es tal que, cuando se enrosca totalmente, el lado de carga 3 obviamente toca el lado de carga 4 del componente macho. Entre el lado de ajuste 6 y el lado 5 del componente macho, con una junta no cargada, es decir que los componentes 1 y 2 no tienen cargas axiales ni de flexión, existe un juego mecánico medido a lo largo de la dirección paralela al eje de la junta que varía entre 0,01 y 0,12 mm. Entre la punta 8 de la rosca de un componente y la ranura 7 del otro componente, el tamaño de la superficie varía entre 0,05 y 0,30 mm.

El diámetro interno D3 y el diámetro externo D4 de dicho componente macho 1, en la extensión que no se acopla con el componente hembra, el diámetro interno D1 y el diámetro externo D2 de la superficie de sostén 10 formada en el componente hembra 2, se unen a través de la siguiente relación (D2^{2}-D1^{2})/(D4^{2}-D3^{2}) \geq 0,5.

La junta de la invención es adecuada para soportar altas fuerzas de compresión axial sobre el caño, fuerzas que ponen en contacto los laterales de ajuste 5 y 6, que empiezan a llevar la carga de compresión en paralelo a las superficies de sostén 9 y 10, mientras que la zona cercana a dichas superficies 9 y 10 se mantiene en condiciones de deformación elástica.

Sumado a ello, tiene una satisfactoria resistencia al desgaste y al agarrotamiento.

El componente hembra puede ser un manguito que conecte dos componentes machos con forma de caño, tal como sucede en el caso que se acaba de describir. Como alternativa, puede haber una junta integral, donde los dos componentes sean dos extensiones de caño, una con rosca macho y la otra con rosca hembra sobre los extremos, lo que forma la junta. En este caso, el componente con rosca macho en un extremo puede tener rosca hembra (y viceversa) en el otro extremo, para formar otra junta integral con otra extensión del caño. En ese caso, cerca de la extensión con rosca hembra, puede haber una prolongación de su diámetro externo para proporcionar resistencia adecuada, por ejemplo juntas que prácticamente están niveladas. Se prefiere que el diámetro de los caños sea igual para permitir la continuidad en la línea de caños. En el caso de juntas con manguitos, también se prefiere que el diámetro interno del acople del caño, en el área que no se acopla con el componente macho, sea igual al del caño, según puede observarse en las ilustraciones; dicho diámetro coincide con el diámetro interno D1 de la superficie de sostén 10.

Claims (9)

1. Una junta roscada para caños que define un eje (21), que comprende un componente macho coaxial (1) que consta de un caño provisto con rosca sobre una extensión de su superficie externa cerca de, por lo menos, un extremo (13) y un componente coaxial hembra (2), que consta de un caño o manguito provisto con rosca sobre una extensión de su superficie interna cerca de por lo menos un extremo (14) en la cual el componente macho (1) está provisto de una extensión cilíndrica que se ubica entremedio de dos extremos, con paredes de un espesor constante y tiene en dicho extremo (14) una superficie anular de contacto (9) y en la cual se forma una correspondiente superficie anular de sostén (10) en el interior del componente hembra (2), se prevé que dichas roscas se enrosquen mutua y reversiblemente hasta que establecen contacto entre dichas superficies anulares de contacto (9,10), dichas roscas son complementarias y tienen el perfil de un diente, en una sección de acuerdo con un plano que contiene el eje (21) que define un lado de carga (4, 3) que forma un primer ángulo (\alpha) respecto del plano perpendicular al eje (21) y un lado de ajuste (6, 5) que forma un segundo ángulo (\beta) respecto de un plano perpendicular al eje (21), caracterizada porque dicho segundo ángulo (\beta) tiene un valor que oscila entre 10 y 25°; porque cuando se ensambla la junta y se establece el contacto entre dichas superficies anulares de contacto (9, 10), cuando no hay cargas axiales, entre el lado de ajuste (6) de la rosca que se forma sobre el componente macho y el lado (5) de la rosca del componente hembra, existe un juego mecánico que mide entre 0,01 y 0,12 mm, medido a lo largo de una dirección paralela al eje (21) de la junta; y porque el diámetro interno D3 y el diámetro externo D4 de la extensión cilíndrica de dicho componente macho (1), el diámetro interno D1 y el diámetro externo D2 de la superficie de contacto formada en el componente hembra se vinculan por la relación (D2^{2}-D1^{2})/(D4^{2}-D3^{2}) \geq 0,5.

2. La junta para caños de acuerdo con la reivindicación 1, en la cual dicho componente hembra (2) es un manguito con una rosca hembra sobre ambos extremos.

3. La junta para caños de acuerdo con cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual los laterales de carga (4, 3) forman un ángulo (\alpha) respecto de un plano perpendicular al eje (21) de la junta que varía entre -4 y 3°.

4. La junta de acuerdo con cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual las superficies con rosca tienen una conicidad con un valor comprendido entre el 6 y el 15%.

5. La junta para caños de acuerdo con cualesquiera de las reivindicaciones precedentes en la cual existe un juego mecánico que mide entre 0,05 y 0,30 mm entre las puntas (8) del componente macho y las ranuras (7) del componente hembra, mientras que las ranuras (17) del componente macho y las puntas (18) del componente hembra (2) se tocan cuando el atornillado es completo.

6. La junta para caños de acuerdo con cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual la rosca da entre 3 y 5 giros por 2,54 cm (1 pulgada).

7. La junta para caños de acuerdo con cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual las superficies anulares de sostén (9, 10) son complementarias y tienen forma de cono truncado, y la (9) del componente macho (1) tiene un ángulo en la base que mide entre 0 y 20° y una parte superior dirigida hacia la parte interna del componente macho.

8. Un caño con una longitud establecida que tiene un extremo provisto con rosca sobre la superficie externa, adecuada para formar el componente macho (1) de la junta, con las características descriptas en una o más de las reivindicaciones 1 a 7.

9. Un caño con una longitud establecida que tiene un extremo provisto con rosca sobre la superficie interna, adecuada para formar el componente hembra (2) de la junta, con las características descriptas en una o más de las reivindicaciones 1 a 7.